Ny tilgang til måling af klæbrighed kunne hjælpe med at designe mikroenheder

Brown University ingeniører har udtænkt en ny metode til at måle klæbrigheden af ​​overflader i mikroskala. Teknikken, beskrevet i Proceedings of the Royal Society A , kunne være nyttig til at designe og bygge mikro-elektromekaniske systemer (MEMS), enheder med mikroskopiske bevægelige dele.

På omfanget af broer eller bygninger, den vigtigste kraft, som konstruerede strukturer skal håndtere, er tyngdekraften. Men på omfanget af MEMS - enheder som de små accelerometre, der bruges i smartphones og Fitbits - falder den relative betydning af tyngdekraften, og klæbekræfterne bliver vigtigere.

"Det vigtigste, der betyder noget på mikroskalaen, er, hvad der klæber til hvad, " sagde Haneesh Kesari, en adjunkt ved Brown's School of Engineering og medforfatter til den nye forskning. "Hvis du har dele af din enhed, der klæber sammen, burde det ikke være det, det kommer ikke til at virke. Så for at designe MEMS-enheder, det hjælper at have en god måde at måle vedhæftningen på i de materialer, vi bruger."

Det er, hvad Kesari og to Brown kandidatstuderende, Wenqiang Fang og Joyce Mok, søgte at opnå med denne nye forskning. Specifikt, de ønskede at måle en mængde kendt som "adhæsionsarbejde, ", hvilket groft oversættes til den mængde energi, der kræves for at adskille en enhedsareal af to klæbte overflader.

Den centrale teoretiske indsigt, der er udviklet i det nye studie, er, at termiske vibrationer af en mikrostråle kan bruges til at beregne adhæsionsarbejde. Denne indsigt foreslår en metode, hvor et let modificeret atomkraftmikroskopi (AFM) system kan bruges til at undersøge klæbeegenskaber.

Standard AFM fungerer lidt som en pladespiller. En cantilever med en skarp nål bevæger sig hen over et målmateriale. En laser vist på cantileveren måler de små bølger, den laver, når den bevæger sig langs materialets konturer. Disse bølger kan så bruges til at kortlægge materialets overfladeegenskaber.

Tilpasning af metoden til at måle vedhæftning ville kræve blot at fjerne metalspidsen fra cantileveren, efterlader en flad mikrostråle. Denne stråle kan derefter sænkes ned på et målmateriale, hvor det vil klæbe. Når udkraget hæves lidt, en del af strålen vil løsne sig, mens resten sidder fast. Den del af strålen, der ikke sidder fast, vil vibrere en smule. Forfatterne fandt en måde at bruge omfanget af denne vibration på, som kan måles med en AFM-laser, for at beregne længden af ​​den del, der ikke sidder fast, som igen kan bruges til at beregne målmaterialets vedhæftningsarbejde.

Med små ændringer, et atomkraftmikroskop kunne bruges til at måle adhæsion i mikromaterialer. Kredit:Kesari Lab/Brown University Fang siger, at teknikken kunne være nyttig til at vurdere nye materialebelægninger eller overfladeteksturer, der sigter mod at lindre svigt af MEMS-enheder gennem klæbning.

"Når du har en robust teknik til at måle materialets vedhæftning, så har du en systematisk måde at evaluere disse metoder på for at få det vedhæftningsniveau, der er nødvendigt for en bestemt anvendelse, " sagde Fang. "Den største fordel ved denne metode er, at du ikke behøver at ændre en standard AFM-opsætning ret meget for at gøre dette."

Fremgangsmåden er også meget enklere end andre teknikker, ifølge Mok.

"Tidligere metoder baseret på interferometri er arbejdskrævende og kan kræve mange datapunkter, der skal tages, " sagde hun. "Vores teoretiske ramme ville give en værdi for arbejdet med adhæsion fra en enkelt måling."

Efter at have demonstreret teknikken numerisk, Kesari siger, at næste skridt er at bygge systemet og begynde at indsamle nogle eksperimentelle data. Han håber, at et sådant system vil hjælpe med at skubbe MEMS-feltet fremad.

"Vi har MEMS accelerometre og gyroskoper, men jeg tror ikke, at feltet helt har levet op til dets løfte endnu, " sagde Kesari. "En del af grunden til det er, at folk ikke helt har forstået adhæsion i den lille skala. Vi mener, at en mere robust måde at måle adhæsion på er det første skridt mod at opnå en sådan forståelse."